Baixe Comparação de Distribuição de Pressão em Perfis NACA usando Cavbem e Xfoil e outras Notas de estudo em PDF para Energia, somente na Docsity!
Agradecimentos
Agradeço ao Prof. Falcão de Campos, orientador desta tese, pela sua disponibilidade, pelos conselhos que me deu e que não só me ajudaram a elaborar este texto mas também a crescer não só como aluno mas também como pessoa, pela sua paciência para explicar as dúvidas que surgiam constantemente com o decorrer do trabalho, agradeço ainda a rapidez com que fazia tudo isto e que levou a que conseguisse acabar este trabalho a tempo.
Ao Eng.º João Baltazar, por estar sempre disponível a esclarecer qualquer dúvida, quer de escrita ou trabalho numérico, esteve sempre presente, a ele e aos engenheiros Miguel Lopes e Rui Gomes por estarem sempre prontos a animar quando o trabalho corria mal, pelas vibrações positivas que forneceram a este trabalho.
Ao Dr. João Henriques, pelos sábios ensinamentos transmitidos na utilização do programa Xfoil.
Ao Eng.º João Fadigas, pelo material que me forneceu, pela amizade e ajuda sempre presente e que me ajudou a ultrapassar dificuldades.
Aos meus pais, avós e amigos, especialmente à AnaLu e à Rita, ao Edgar e ao Lagoa, que sempre me acarinharam e estiveram comigo ao longo da execução deste trabalho.
À minha namorada Joana, que lutou para que eu nunca desistisse, para que tivesse tudo pronto a horas, agradeço também as várias revisões deste texto sempre com comentários muito pertinentes. Agradeço ainda todo o amor e carinho que fizeram com que todo o tempo que esta tese levou a elaborar custasse muito menos a passar e peço desculpa pela minha ausência, quer física quer psicológica, durante a execução deste trabalho.
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Resumo
As turbinas de corrente marítima são mecanismos de conversão de energia que aproveitam o movimento de água provocado pelas marés para se movimentarem. Resultante da interacção com o fluido as pás da turbina entram em movimento de rotação, transmitindo potência ao veio a que estão acopladas. Por sua vez, o veio, que pode estar ou não ligado a uma caixa redutora, actua um gerador e produz energia.
As pás de uma turbina marítima funcionam como superfícies sustentadoras capazes de produzir forças de sustentação apreciáveis e consideravelmente maiores que as forças de resistência. Nesta dissertação são analisados vários perfis bidimensionais com o intuito de verificar se estes têm comportamentos hidrodinâmicos adequados para constituir secções das pás de uma turbina deste género. São analisados perfis utilizados em artigos já publicados, NACA 63-8xx, para validar o método de cálculo e outros perfis, NACA 66-8xx a=1 e a=0.8, que se considerou terem potencial para a aplicação.
O trabalho de análise destes perfis processa-se de duas formas distintas, em primeiro lugar uma análise invíscida de escoamento estacionário em torno do perfil, usando os programas de cálculo Cavbem e Xfoil. Em segundo lugar uma análise viscosa do escoamento em que apenas é utilizado o programa Xfoil. A análise invíscida é efectuada com dois programas com o objectivo de comparar os resultados obtidos com o Xfoil com os obtidos no Cavbem, um programa já amplamente testado e cujos resultados sempre se revelaram bastante fiáveis. O cálculo em si reside fundamentalmente na análise de coeficientes de pressão e sustentação. São ainda testadas algumas alterações às geometrias dos perfis simétricos antes de serem combinados com as linhas médias, com o objectivo de reduzir algumas oscilações nas distribuições de pressão encontradas na literatura. A análise viscosa realiza-se para vários números de Reynolds, sendo a gama desde 1x10 5 , aplicável a modelos de laboratório, até 1x10^7 , número de Reynolds esperado para turbinas de tamanho real. São analisadas as distribuições de pressão, os coeficientes de sustentação e resistência.
Por fim procede-se a uma comparação dos resultados obtidos para os diferentes perfis em ambos os regimes e no caso do regime viscoso, são também comparados com os artigos já publicados, são feitas algumas conclusões e recomendações de trabalho futuro. Relativamente às conclusões, verificou-se que os perfis que na generalidade possuem melhores características hidrodinâmicas são os NACA 66-8xx com a=0.8, pois possuem a melhor relação entre C (^) D e C (^) L aliada a uma distribuição de pressão mais suave.
Palavras-chave: Turbinas de corrente marítima, Energia das correntes marítimas,
Geração de perfis, Perfis NACA série 6, Análise viscosa de perfis, Análise invíscida de perfis, Xfoil
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Índice
Agradecimentos........................................................................................................................................ i Resumo ....................................................................................................................................................ii Abstract....................................................................................................................................................iii Índice .......................................................................................................................................................iv Lista de figuras ........................................................................................................................................vi Lista de figuras ........................................................................................................................................vi Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... x Lista de abreviaturas ............................................................................................................................... x Nomenclatura ..........................................................................................................................................xi
- Introdução........................................................................................................................................ 1 1.1 Objectivos e estrutura da tese.................................................................................................... 1 1.2 Panorama energético mundial e necessidade de energias renováveis..................................... 2 1.3 Energia das correntes marítimas ............................................................................................... 3 1.4 Extracção da energia das correntes marítimas.......................................................................... 6 1.4.1 Barragens de maré ............................................................................................................ 7 1.4.2 Turbinas ou parques de turbinas marítimas ...................................................................... 7
- Estado da arte ............................................................................................................................... 11 2.1 Protótipos instalados ou em vias de instalação ....................................................................... 11 2.2 Perfis utilizados em turbinas marítimas.................................................................................... 13 2.3 Estudos numéricos e experimentais ........................................................................................ 14
- Descrição da geometria dos perfis................................................................................................ 16 3.1 Introdução................................................................................................................................. 16 3.1.1 Perfis NACA da série 6.................................................................................................... 16 3.2 Métodos utilizados para geração dos perfis............................................................................. 18 3.2.1 Javafoil............................................................................................................................. 18 3.2.2 Método de combinação de linhas de curvatura com distribuições de espessura ........... 19 3.3 Perfis gerados .......................................................................................................................... 20
- Programas e métodos de cálculo utilizados.................................................................................. 22 4.1 Xfoil........................................................................................................................................... 22 4.1.1 Formulação invíscida....................................................................................................... 23 4.1.2 Formulação viscosa......................................................................................................... 23 4.2 Cavbem2D................................................................................................................................ 25
- Análise invíscida dos perfis ........................................................................................................... 26 5.1 Introdução................................................................................................................................. 26 5.2 Perfis originais e modificação de Brockett [20] ........................................................................ 26 5.3 Redistribuição de painéis no Xfoil ............................................................................................ 28 5.4 Mesmo input nos dois programas ............................................................................................ 29 5.5 Tentativas de suavização da geometria do perfil NACA 63-010 ............................................. 32
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5.5.1 Função de Bézier cúbica ................................................................................................. 32 5.5.2 Inclusão de pontos do circulo gerado pelo raio do bordo de ataque............................... 34 5.6 Perfis da turbina [1] .................................................................................................................. 36 5.7 Análise da turbina [1] com perfis da série NACA 66-8xx ......................................................... 40 5.7.1 Geração dos perfis a utilizar ............................................................................................ 40
5.7.2 Perfis NACA 66-8xx a = 1. 0 .......................................................................................... 42
5.7.3 Perfis NACA 66-8xx a = 0. 8 .......................................................................................... 44
- Análise viscosa dos perfis ............................................................................................................. 45 6.1 Perfis da turbina experimental de Bahaj et al [1] ..................................................................... 45 6.1.1 Distribuições de pressão ................................................................................................. 45 6.1.2 Pontos de separação e transição .................................................................................... 49 6.2 Turbina experimental de Bahaj et al [1] com perfis NACA 66-8xx........................................... 56 6.2.1 Distribuições de pressão ................................................................................................. 56 6.2.2 Pontos de separação e transição .................................................................................... 59
6.3 Perfis NACA 66-812 e 66-824 com a = 0. 8 ............................................................................ 62
6.3.1 Distribuições de pressão ................................................................................................. 62 6.3.2 Pontos de separação e transição .................................................................................... 63
- Comparações e análise de resultados .......................................................................................... 66 7.1 Comparações em escoamento invíscido ................................................................................. 66 7.2 Comparações em regime viscoso ............................................................................................ 68 7.2.1 Distribuições de pressão ................................................................................................. 68 7.2.2 Evoluções de C (^) L e C (^) D com α ........................................................................................... 69 7.3 Comparação com artigos publicados ....................................................................................... 71
- Conclusões .................................................................................................................................... 75
- Referências Bibliográficas ............................................................................................................. 77 A. Anexos.............................................................................................................................................. I A.1 Modificações efectuadas nos perfis ............................................................................................ I A.2 Códigos Matlab.......................................................................................................................... III A.2.1 Geração dos ficheiros com outputs do factor de forma de camada limite ....................... III A.2.2 Geração dos ficheiros com outputs do factor de forma de camada limite ....................... III A.2.3 Localização do ponto de separação laminar ....................................................................IV A.2.4 Localização do ponto de separação turbulenta no extradorso (H=1.8) ...........................IV A.2.5 Localização do ponto de separação turbulenta no extradorso (H=2.4) ............................V A.2.6 Localização do ponto de separação turbulenta no intradorso (H=1.8) .............................V A.2.7 Localização do ponto de separação turbulenta no intradorso (H=2.4) ............................VI A.3 Alteração de parâmetros de camada limite no Xfoil.................................................................VII
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Figura 5.11 – Distribuição de pressão com os mesmos pontos de input no Cavbem e Xfoil para o perfil NACA 63-010 refinado e original α=0º........................................................................................... 32 Figura 5.12– Geometria do perfil NACA 63-010 original, com a modificação de bézier e com a alteração efectuada à modificação de bézier ................................................................................ 33 Figura 5.13 – Distribuição de pressão da modificação da curva de bézier do perfil NACA 63-010 no Xfoil e no Cavbem e ampliação no bordo de ataque, α=0º ........................................................... 33 Figura 5.14 - Comparação entre as distribuições de pressão do perfil original e do perfil resultante da modificação da curva de bézier, com ampliação no bordo de ataque α=0 ................................... 34 Figura 5.15 - Geometrias do perfil NACA 63-010 original e modificado ............................................... 34 Figura 5.16 - Comparação entre as distribuições de pressão do perfil original e das modificações, com ampliação no bordo de ataque no programa Xfoil α=0.................................................................. 35 Figura 5.17 - Comparação entre as distribuições de pressão do perfil original e das modificações com refinamento, com ampliação no bordo de ataque no programa Xfoil α=0..................................... 35 Figura 5.18 – Estudo de convergência do número de painéis para o perfil modificado no Xfoil α=0º. 36 Figura 5.19 e 5.20 - Estudo de convergência do número de painéis para o perfil modificado no Cavbem α=0º.................................................................................................................................. 36 Figura 5.21 - Distribuição de pressão para perfis com e sem refinamento, originais e modificados para o perfil NACA 63-812 no Xfoil e Cavbem com input Xfoil α=0....................................................... 37 Figura 5.22 - Distribuição de pressão para perfis com e sem refinamento, originais e modificados para o perfil NACA 63-815 Xfoil e Cavbem com input Xfoil α=0............................................................ 37 Figura 5.23 - Distribuição de pressão para perfis com e sem refinamento, originais e modificados para o perfil NACA 63-818 no Xfoil e Cavbem com input Xfoil α=0....................................................... 37 Figura 5.24 - Distribuição de pressão para perfis com e sem refinamento, originais e modificados para o perfil NACA 63-821 no Xfoil e Cavbem com input Xfoil α=0....................................................... 38 Figura 5.25 - Distribuição de pressão para perfis sem refinamento, originais e modificados para o perfil NACA 63-824 no Cavbem e Xfoil α=0................................................................................... 38 Figura 5.26 – Distribuição de pressão a diferentes ângulos de ataque para o perfil NACA 63-812 com refinamento no Xfoil e ampliação no extradorso do bordo de ataque ........................................... 39 Figura 5.27 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-012 original e modificado, com e sem refinamento no Xfoil α=0 e ampliação no bordo de ataque ........................................................... 40 Figura 5.28 - Perfil NACA 66-812 Original e modificado com e sem refinamento e ampliação no bordo de ataque ....................................................................................................................................... 40 Figura 5.29 – Alterações efectuadas ao perfil original NACA 66-812................................................... 41 Figura 5.30 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-812, obtido a partir do NACA 66- modificado, com e sem refinamento, aberto e fechado no Xfoil α=0 e ampliação no bordo de fuga ........................................................................................................................................................ 41 Figura 5.31 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-812, com e sem refinamento, no Xfoil e Cavbem α=0 e ampliação no bordo de fuga .................................................................................. 42 Figura 5.32 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-815, com e sem refinamento, no Xfoil e Cavbem α=0 e ampliação no bordo de fuga .................................................................................. 42
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Figura 5.33 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-815, com e sem refinamento, no Xfoil e Cavbem α=0 e ampliação no bordo de fuga .................................................................................. 43 Figura 5.34 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-821, com e sem refinamento, no Xfoil e Cavbem α=0 e ampliação no bordo de fuga .................................................................................. 43 Figura 5.35 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-824, com e sem refinamento, no Xfoil e Cavbem α=0 e ampliação no bordo de fuga .................................................................................. 43 Figura 5.36 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-812 a=0.8, com e sem refinamento, no Xfoil e Cavbem α=0 e ampliação no bordo de fuga....................................................................... 44 Figura 5.37 - Distribuição de pressão para o perfil NACA 66-824 a=0.8, com e sem refinamento, no Xfoil e Cavbem α=0 e ampliação no bordo de fuga....................................................................... 44 Figura 6.1 – Distribuição de pressão para diferentes números de Reynolds e para fluido perfeito para o perfil NACA 63-812 α=0º............................................................................................................. 46 Figura 6.2 - Distribuição de pressão para diferentes números de Reynolds e para fluido perfeito para o perfil NACA 63-815 α=0º................................................................................................................ 46 Figura 6.3 - Distribuição de pressão para diferentes números de Reynolds e para fluido perfeito para o perfil NACA 63-818 α=0º................................................................................................................ 46 Figura 6.4 - Distribuição de pressão para diferentes números de Reynolds e para fluido perfeito para o perfil NACA 63-821 α=0º................................................................................................................ 47 Figura 6.5 - Distribuição de pressão para diferentes números de Reynolds e para fluido perfeito para o perfil NACA 63-824 α=0º................................................................................................................ 47 Figura 6.6 - Evolução de Cp com ângulo de ataque para o perfil NACA 63-812 e NACA 63-815 ....... 48 Figura 6.7 - Evolução de Cp com ângulo de ataque para o perfil NACA 63-818 e NACA 63-821 ....... 48 Figura 6.8 - Evolução de Cp com ângulo de ataque para o perfil NACA 63-824 ................................. 49 Figura 6.9 – Localização do ponto de transição e de separação do escoamento em função do ângulo de ataque para o perfil NACA 63-812 a diversos números de Reynolds ...................................... 51 Figura 6.10 – Evolução do factor de forma ao longo da corda para o perfil NACA 63-812 a diferentes ângulos de ataque variando o comprimento dos painéis no bordo de ataque .............................. 51 Figura 6.11 - Evolução do factor de forma ao longo da corda para o perfil NACA 63-812 a diferentes ângulos de ataque para Re=1x0 5 e 3x10^5 ..................................................................................... 52 Figura 6.12 - Localização do ponto de transição e de separação do escoamento em função do ângulo de ataque para o perfil NACA 63-815 a diversos números de Reynolds ...................................... 53 Figura 6.13 - Localização do ponto de transição do escoamento em função do ângulo de ataque para o perfil NACA 63-818 a diversos números de Reynolds................................................................ 54 Figura 6.14 - Localização do ponto de transição do escoamento em função do ângulo de ataque para o perfil NACA 63-821 a diversos números de Reynolds................................................................ 55 Figura 6.15 - Localização do ponto de transição do escoamento em função do ângulo de ataque para o perfil NACA 63-824 a diversos números de Reynolds................................................................ 56 Figura 6.16 - Distribuição de pressão para diferentes números de Reynolds e para fluido perfeito para o perfil NACA 66-812 α=0º............................................................................................................. 57
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Figura 7.10 – Evolução de C (^) L e C (^) D com α para perfis de t/c=24% e Re=1x10 6 ................................... 71 Figura 7.11 - Comparação com os resultados de Bahaj et al e experimentais de C (^) L e C (^) D em função de α para o perfil NACA 63-815, Re=0.8x10 6 ................................................................................ 72 Figura 7.12 - Comparação com os resultados de distribuição de pressão de Bahaj et al para o perfil NACA 63-815, Re=0.8x10^6 α=-5.2º e α=-1.2º................................................................................ 73 Figura 7.13 - Comparação com os resultados de distribuição de pressão de Bahaj et al para o perfil NACA 63-815, Re=0.8x10^6 α=2.8º e α=6.8º .................................................................................. 73 Figura 7.14 - Comparação com os resultados de distribuição de pressão de Bahaj et al para o perfil NACA 63-815, Re=0.8x10^6 α=10.8º............................................................................................... 73 Figura A.1 – Menu inicial do Xfoil..........................................................................................................VII Figura A.2 – Rotina de cálculo do Xfoil .................................................................................................VII Figura A.3 – Subrotina de cálculo viscoso ...........................................................................................VIII Figura A.4 – Alteração do número de iterações...................................................................................VIII Figura A.5 – Selecção do medulo de alteração de parâmetros de camada limite.................................IX Figura A.6 – Imposição do valor 0 ao parâmetro de aceleração do Xfoil ..............................................IX
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Projectos de turbinas de corrente marítima instalados e em vias de instalação.............. 13 Tabela 2.2- Variação de espessura máxima, corda e ângulo de calagem ao longo do raio da pá [1]. 14 Tabela 3.1 - Comparação entre coordenadas do Javafoil e da Série NACA para o perfil 0015 .......... 18 Tabela 3.2 - Comparação entre coordenadas do Javafoil e da Série NACA para o perfil 63-010 ....... 18 Tabela 5.1- Valores de CL para os perfis refinados no Xfoil e Cavbem com input Xfoil ...................... 39 Tabela 7.1 – Comparação dos valores de C (^) L dos perfis analisados a α=0º......................................... 67 Tabela A.1 - Geometria do perfil NACA 63-010 modificado nos primeiros 4 pontos usando curvas de bézier................................................................................................................................................. I Tabela A.2 – Modificação da Geometria do perfil NACA 63-010 modificado com o círculo resultante do raio do bordo de ataque ................................................................................................................... II Tabela A.3 – Modificações efectuadas nos perfis de [1]......................................................................... II
Lista de abreviaturas
MCT Marine Current Turbines SST Semi – Submersible Turbines RTT Rotech Tidal Turbine TF Transição forçada TSR Tip Speed Ratio BEM Blade element method
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Nomenclatura
c Corda da pá ou perfil
R
c Corda da pá adimensionalizada pelo raio
C p Coeficiente de pressão
C L Coeficiente de sustentação
C D Coeficiente de resistência
D Força de resistência
H Factor de forma de camada limite
L Força de sustentação
N Número de painéis de discretização do perfil
R
r Coordenada radial adimensionalizada pelo raio da pá
Re Número de Reynolds
c
t Espessura da pá ou perfil, adimensionalizada pela corda
V ref Velocidade de referência do fluido
p ref Pressão de referência
p 0 Pressão de estagnação
p v Pressão de vapor do líquido a uma dada temperatura
u Velocidade no ultimo ponto da esteira
U e Velocidade do escoamento não perturbado
x Abcissa de um perfil simétrico
x L Abcissa do intradorso de um perfil com curvatura
x U Abcissa do extradorso de um perfil com curvatura
c
x Abcissa adimensionalizada pela corda
y L Ordenada do intradorso de um perfil com curvatura
y U Ordenada do extradorso de um perfil com curvatura
y t Ordenada do perfil simétrico na abcissa x
y c Ordenada da linha média
c
y Ordenada adimensionalizada pela corda
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Capítulo 1
1. Introdução
1.1 Objectivos e estrutura da tese
Neste trabalho pretende investigar-se um método de cálculo das características hidrodinâmicas de perfis alares que pode ser utilizado no projecto preliminar de turbinas de corrente marítima. O método de análise de perfis fornece as características de sustentação e resistência requeridas para a aplicação do modelo da linha sustentadora, com vista à obtenção das características de funcionamento do rotor de uma turbina. No capítulo 1 é feita uma pequena introdução, ao contexto energético mundial da actualidade em geral e à ocorrência das correntes marítimas. Em particular, inclui-se uma breve análise dos mecanismos que permitem a extracção da sua energia, revelando algumas vantagens e desvantagens destes relativamente aos sistemas que actualmente aproveitam outras formas de energia. No capítulo 2 apresenta-se o estado de arte, sendo feita referência a alguns dos estudos já efectuados no âmbito desta tecnologia, principalmente ao estudo realizado por Bahaj et al [1], que vai servir de termo de comparação aos resultados produzidos por esta tese. Será ainda apresentada uma pequena lista com algumas turbinas de corrente marítima já instaladas ou em fase avançada de investigação. O capítulo 3 é dedicado à definição geométrica dos perfis. O método de geração baseia-se na combinação de distribuições de espessura com linhas médias. Os exemplos incluem perfis da série NACA 63 e 66. No capítulo 4 são descritos os programas de cálculo, CAVBEM2D e Xfoil, utilizados, para análise invíscida e viscosa. No capítulo 5 descreve-se a análise invíscida do escoamento em torno dos perfis. Serão descritas algumas tentativas de suavização das geometrias de modo a reduzir as oscilações nas distribuições de pressão presentes nos artigos já publicados [2]. Serão ainda analisados perfis alternativos aos do artigo citado, de modo a verificar se têm um melhor comportamento hidrodinâmico. No capítulo 6 procede-se ao cálculo em regime viscoso dos perfis. Serão também analisados os mesmos perfis alternativos do capítulo 5. Por fim no capítulo 7 são comparados os resultados dos capítulos 5 e 6, sendo também os últimos comparados com os artigos já publicados. No capítulo 8 são apresentadas as conclusões e são feitas algumas recomendações para trabalhos futuros.
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1.2 Panorama energético mundial e necessidade de energias renováveis
Até ao início da revolução industrial as sociedades humanas usaram a energia solar (aquecimento directo e iluminação) e os seus derivados como formas de energia, sendo que entre os seus derivados estão: os biocombustíveis (através da fotossíntese), a energia eólica (usada na navegação à vela e nos moinhos de vento) e a energia hídrica (através da utilização de rodas hidráulicas de vários tipos). Porém, com a revolução industrial foi necessário procurar fontes de energia mais concentrada e de utilização mais prática e barata. Nesse sentido começaram a ser explorados os combustíveis fósseis, tais como o carvão, o petróleo e o gás natural. Após a segunda guerra mundial começou a estudar-se a hipótese de usar a energia nuclear de forma pacífica e com vista a à produção de energia, servindo assim de alternativa aos combustíveis fósseis. Porém, com o passar dos anos, chegou-se à conclusão que mais tarde ou mais cedo se teriam de procurar novas formas de energia. Um dos principais factores na mudança das mentalidades foi a crise do petróleo de 1972. Como resultado dessa crise o preço do petróleo subiu e a sociedade começou a aperceber- se que não só os combustíveis fósseis se esgotariam em poucas centenas de anos como eram bastantes consideráveis as emissões de poluentes resultantes da sua utilização, efeitos entre os quais podemos destacar o efeito de estufa. Esse só por si não é prejudicial à vida na Terra, pois se não existisse a temperatura média à superfície seria de -18ºC, em vez de cerca de 15ºC. Porém, a emissão de gases como o metano, o vapor de água e, principalmente, o dióxido de carbono aumentam muito este efeito, elevando a temperatura a níveis que poderão levar à ocorrência de catástrofes naturais, tais como o degelo dos pólos ou a ocorrência com muito maior frequência de furacões, ciclones, bem como a alteração das suas rotas. Já no caso da energia nuclear, o seu desenvolvimento foi também estagnando, principalmente devido aos elevados custos que acarretava e a problemas na segurança da sua utilização, quer com o problema de não saber o que fazer aos resíduos radioactivos, quer com o receio da proliferação de armas de destruição massiva, existindo por fim o risco de explosões tal como aconteceu com a central nuclear de Chernobil. Face a todos estes problemas, surgiu a necessidade de apostar em novas fontes de energia, fontes de energia mais sustentáveis que as energias fósseis e nuclear, surgiu assim em grande escala a aposta nas energias renováveis. Estas energias têm como grandes vantagens o facto de serem essencialmente inesgotáveis, pouco poluentes e pouco contributivas para o aumento do efeito de estufa e serem pouco nocivas para a saúde. A grande parte das energias renováveis provém do sol. Directamente deste, como no caso da utilização da luz solar para aquecimento de edifícios, de águas através de colectores solares ou produção de energia através de painéis fotovoltaicos. Indirectamente, como no caso da energia eólica que resulta de um desigual aquecimento da superfície terrestre ou ainda no caso da evaporação da água, que depois volta a terra sob a forma de chuva, enchendo grandes lagos que poderão ser posteriormente aproveitados para alimentar centrais hidroeléctricas. Existem, porém, energias renováveis não provenientes do sol, como no caso da energia geotérmica, proveniente do calor gerado no interior da terra, e da energia das marés ou correntes marítimas, provocado pelo campo gravítico da lua e em menor grau pelo campo gravítico do sol.
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astros estão desfasadas 90º. Resulta deste factor a ocorrência de marés-altas mais altas nas marés de sizígia e de marés baixas mais baixas nas marés de quadratura. Na ausência de terra, a amplitude máxima de maré seria de 0,5m. Com a presença dos continentes estas chegam a atingir 15m de amplitude, como por exemplo na baía de Fundy no Canadá.
Figura 1.2 - Efeito gravítico da terra e da lua [5]
Como vantagens das turbinas marítimas relativamente às eólicas temos a possibilidade de uma larga percentagem deste recurso poder ser aproveitada com baixo impacto ambiental e visual, pois tratando-se de uma turbomáquina submersa não provoca ruído à superfície nem se destaca visualmente na zona onde estiver instalada. Juntando a isto a baixa velocidade a que roda, diminui os riscos de abate da fauna da zona, sendo por estes factores um dos métodos de produção de energia em larga escala menos destrutivos. Estas turbinas atingem o seu rendimento máximo quando instaladas em locais de correntes rápidas. Este fenómeno acontece nas proximidades da costa onde se fazem sentir os seguintes efeitos [6]:
- Funil (reentrâncias com estreitamentos graduais, que ocorre em canais existentes e em mares e oceanos);
- Ressonância (quando existe na costa uma reentrância que reflecte a corrente no fundo e na boca desta tal como num instrumento de sopro, sendo que este factor é considerável se o comprimento da reentrância for aproximadamente igual ao comprimento de onda sobre 4), compreende-se assim que será prioritariamente nestas morfologias que esta tecnologia deverá ser implementada.
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Figura 1.3 - Efeitos de reentrância e funil [5] Este tipo de energia enfrenta, porém, um grande problema que é a rispidez do ambiente marinho em que se encontra. Relativamente às condições atmosféricas em que se encontram, por exemplo as turbinas eólicas, o mar é especialmente desfavorável devido a cinco factores [4]:
- Salinidade da água, que provoca corrosão dos materiais metálicos, tal como as pás e a torre, levando à necessidade de isolamento destes através de pintura ou galvanização, no caso das pás, e aumento da espessura do metal no caso da torre e eventual selagem de partes mais sensíveis, tais como a “nacelle” (elemento da turbina onde se encontram o gerador e a caixa redutora).
- Eventuais colisões de detritos submersíveis transportados pelas correntes, danificando as pás, especialmente a zona das pontas que é mais sensível a embates.
- Formação de vida marinha, nomeadamente, a fixação de comunidades de algas e moluscos nas pás aumentando a sua resistência hidrodinâmica.
- Esforços axiais muito grandes provocados pelo elevado impulso produzido pelo escoamento da massa de água salgada através da turbina. O impulso é uma força gerada no sentido da corrente devido à extracção da energia por parte da turbina. Das conclusões anteriores, facilmente vemos que o valor do impulso e consequentemente da força axial é bastante superior no caso das turbinas marítimas comparativamente às turbinas eólicas.
- Fenómenos de cavitação. Este fenómeno é caracterizado por mudanças de fase do fluido, levando à formação de bolhas de vapor, devido à ocorrência de baixas pressões em certas partes do escoamento, principalmente na extremidade das pás. A ocorrência deste fenómeno é prejudicial por dois factores [7]: o Degradação da estrutura na zona onde a cavitação ocorre, causada pelas ondas de pressão resultantes do colapso das bolhas de vapor criadas. o Mistura da zona onde ocorre cavitação com o restante fluxo de líquido causando uma queda no valor de pressão total e consequentemente uma queda no rendimento.
A cavitação ou o seu grau de ocorrência podem ser caracterizados através do número de Euler , mais vulgarmente conhecido por número de cavitação em hidrodinâmica, que é dado por:
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1.4.1 Barragens de maré
Neste caso, a água quem vem do mar, trazida pela maré para dentro do estuário, é armazenada numa barragem. Quando a barragem está cheia ou tem uma massa de água suficiente para tornar rentável a sua turbinagem, abrem-se as comportas de saída da barragem e a água escoa rumo ao mar, accionando uma turbina e produzindo energia. Esta mesma turbina pode ser accionada nos dois sentidos da maré ou funcionar como bomba, retirando água ao mar enchendo a barragem para aumentar a sua cota de água. No sentido de tornar estas acções rentáveis, é ainda importante a acção das comportas para manter a água, quer do lado do mar, quer do lado do estuário, dentro dos níveis pretendidos.
1.4.2 Turbinas ou parques de turbinas marítimas
No segundo caso, tal como no caso das turbinas eólicas, também nas marítimas ou MCT existem dois tipos principais, que são as turbinas de eixo horizontal com passo fixo ou variável e as turbinas de eixo vertical cross-flow Darrieus. Nas turbinas de eixo vertical existem fundamentalmente dois tipos: Turbinas Darrieus com pás curvas e com pás rectas, sendo que deste ultimo modelo já se encontra uma unidade em testes no estreito de Messina. Estas turbinas têm como vantagens não serem dependentes da direcção da corrente, possuírem pás de fácil construção e ser fácil aumentar a envergadura da pá. Como desvantagens têm uma eficiência mais baixa que as turbinas de eixo horizontal e não arrancam automaticamente. No caso das turbinas de eixo horizontal, foram já investigados vários tipos de instalações, que em seguida serão apresentados. O primeiro tipo, desenvolvido pela empresa inglesa MCT [8], consiste num rotor instalado num pilar encastrado no fundo do mar, cujos exemplos de aplicação são o projecto Seagen e o Seaflow. Esta configuração derivou directamente da tecnologia das eólicas de eixo horizontal, com a correcção para uma densidade do fluido cerca de 800 vezes maior e uma velocidade do escoamento de cerca de um quinto da velocidade do vento, levando a que um rotor convenientemente projectado tenha cerca de metade do diâmetro do rotor de uma turbina eólica com a mesma potência. A chave para o sucesso destes mecanismos é a ligação rotor – transmissão, que quando bem projectada deve permitir que seja possível que o rotor rode livremente com o fluxo de água. O rotor é projectado para uma velocidade de ponta de 10 m/s ou menos [3], para manter as pontas das pás livres de cavitação. As pás têm de ser relativamente espessas de modo a aguentar as grandes cargas a que estão sujeitas, sendo ainda que a sua raiz e o cubo necessitam ter aproximadamente a mesma dimensão que os de uma turbina eólica com o dobro da dimensão. Neste tipo de projecto a manga que comporta o rotor pode rodar e subir ou descer, de modo a que o rotor esteja na direcção do escoamento de água e seja possível a sua remoção e manutenção. Este projecto não se adequa a grandes profundidades devido a grandes cargas geradas na base do pilar de sustentação e à dificuldade em atingir o fundo do mar para proceder à furação. A manutenção do rotor é efectuada após este ser elevado até à superfície. Para locais de maior profundidade, onde se encontram dois terços do recurso, são necessários projectos de sistemas flutuantes. Existem dois tipos diferentes destes sistemas:
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- Sistemas flutuantes semi-submersos ancorados a bases de gravidade;
- Sistemas flutuantes à superfície ancorados a bases de gravidade, com ou sem a utilização de bóias de tensão. Estes sistemas, ao contrário do sistema inicial, estão presos por cabos a bases de gravidade. O projecto submerso foi pioneiro no estudo de sistemas flutuantes submersos. A ideia inicial tinha como base um braço móvel cuja flutuação pode ser controlada de modo a que, quando em funcionamento, a turbina produza um impulso que contrapõe a sustentação do braço e a mantêm não só dentro de água como na direcção do fluxo. Esta ideia foi patenteada no Reino Unido em 2003, sendo o projecto conhecido por SST.
Figura 1.6- SST inicial e conceito desenvolvido [3]
Um problema deste conceito inicial é que o seu binário teria que ser contraposto pela bóia, algo que, apesar de concretizável, traria um acréscimo de complexidade que pode ser evitado. Assim sendo temos como opção mais viável a utilização de dois rotores girando em sentidos opostos: Os rotores girando em sentidos opostos cancelam os binários um do outro, pelo que não é necessário ter sistemas compensadores na flutuação. De salientar ainda que a haste principal pode ser alongada para evitar que as pás embatam no fundo oceânico. Actualmente prevê-se que este “design” incorpore rotores de 20m de diâmetro, produza entre 1 a 2 MW dependendo da velocidade da corrente e opere em águas com profundidades entre os 30 e os 50 metros. Ainda dentro deste tipo de projecto existe uma solução com vista a aumentar a energia passível de ser extraída da corrente e que consiste em inserir a turbina numa tubeira para aumentar a velocidade do fluido. Este projecto foi designado de RTT [9].
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